МЕНЮ

Взаимодействие гамма-излучения с веществом

В работе раскрыта эфиродинамическая сущность  процессов поглощения и образования пар при взаимодействии гамма-фотонов с веществом. Показано, что в основе данного взаимодействия лежит процесс поглощения гамма-фотонов протон-электронными парами атомов вещества.

Введение. В 1896 году Беккерель, изучая действие различных люминесцирующих веществ на фотопластинку, в частности солей урана, открыл неизвестное излучение, присущее самой урановой соли и ничего общего не имеющее с люминесцирующим излучением. Это явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. В 1900 году  французским физиком Полем Вилларом [1] было открыто радиоактивное излучение, не отклоняющееся магнитным полем. Три компоненты ионизирующего излучения радия-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) были разделены по направлению отклонения частиц в магнитном поле: излучение с положительным электрическим зарядом было названо α-лучами, с отрицательным — β-лучами, а электрически нейтральное, не отклоняющееся в магнитном поле излучение получило название γ-лучей. Впервые такая терминология была использована Э. Резерфордом в начале 1903 года. В 1912 году Резерфорд и Эдвард Андраде[en] доказали электромагнитную природу гамма-излучения.

Согласно представлениям традиционной физики [2]: гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны λ ≤ 2·10-10 м). При столь коротких волнах волновые свойства гамма-излучения  проявляются слабо. На первый план выступают корпускулярные свойства. Гамма-излучение  представляет собой поток гамма-квантов, которые характеризуются, как и др. фотоны, энергией εγ = ћω (ω= 2πс/λ), импульсом p = ћk (k = 2π/λ)  и спином I (в ед. ћ).

На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Возникает при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и др. [3]

                По своим свойствам гамма-излучение является сильно проникающим излучением, имеющим ещё более короткую длину волны, чем рентгеновское. Наблюдение γ-квантов происходит в волновой зоне, т. е. на расстояниях r от излучающего ядра, существенно превышающих длину волны λ: λ/r << 1, поэтому проходящее в малый телесный угол гамма-излучение можно рассматривать как плоскую волну с частотой ω, волновым вектором и интенсивностью I или как параллельный пучок квантов с энергией ћω, импульсом ћk, интенсивностью I, задающей число квантов, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к импульсу кванта ћk.

При прохождении гамма-излучения через вещество происходит выбывание квантов из потока в результате взаимодействия с электронами и ядрами. Интенсивность пучка I уменьшается с увеличением толщины х по закону:

I(x) = I0 exp(-µx).                                                                                       (1)

Здесь I0 – интенсивность падающего на вещество потока фотонов, µ – коэффициент  поглощения гамма-излучения. В формировании µ определяющую роль играют три  процесса: фотоэффект на электронной оболочке атома; комптоновское рассеяние квантов “свободными” электронами; рождение позитрон – электронной пары в электростатическом поле атомного ядра (при ћω2mec2mе– масса электрона).

            Выше рассмотренное представление гамма-излучения не совсем корректно. Прежде всего, оно не учитывает уникальные свойства фотонов и механизмы поглощения и генерации (излучения) фотонов. [4 – 6] В частности, гамма-излучение является сильно проникающим излучением вследствие своих более высоких гироскопических свойств, а не более коротких длин волн. Фотоэффект это явление генерации вторичных фотонов при воздействии первичных на протон-электронную пару. Рассеяния фотонов, в том числе и гамма, в природе не существует.[7] Позитрон-электронная пара рождается вследствие разрушения протон-электронной пары атома вещества и трансформации протона в позитрон без воздействия электрического поля атома. И так далее.

                Гамма-излучение широко используется в науке и технике (например, дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, например, при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др. Однако, некорректность теоретического обоснования делает ее применение неадекватным ее соответствующим возможностям. Очевидно, что в рамках существующей квантово-релятивистской концепции решить эту проблему не представляется возможным.

Природа гамма-излучения – эфиродинамическая концепция. Гамма-излучение – это один из видов электромагнитного излучения (длина волны λ ≤ 2·10-10 м). Представляет собой поток фотонного газа, содержащего гамма-фотоны  с энергией

Eγ = mγ rγ 2 ωγ2 ,                                                                               (2)

где mγ – масса, rγ – радиус  тела (кольца), ωγ  – круговая частота собственного вращения фотона.

Фотон [4] – это элементарная частица, представляющая собой замкнутый тороидальный вихрь уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым  движением внутри него, осуществляющая поступательно-циклоидальное движение (по винтовой траектории), обусловленное гироскопическими моментами собственного и вращения по круговой траектории  и предназначенная для переноса энергии.

Гамма-фотон характеризуется энергией 2Eγ [эВ] ≥ 1·105 , массой  mγ [кг] ≈ 1·10-40, электрическим зарядом   γ [Кл] ≈ 1,6021766208·10−19, скоростью прямолинейного движения uγ [м/с] ≈ 3,0·108, радиусом  тела (кольца) rγ [м] ≈ 10-19 – 10-20  и др.                                                                          параметрами. [5]

Параметры mγ, rγ – квазипостоянные, на основании чего для всего спектра гамма-фотонов их энергия E0 ≈ f(ωγ2) фактически зависит только от частоты вращения вокруг собственной оси. В работе [5] показано, что соотношение этих частот для гамма-фотонов и инфракрасных ориентировочно равно 103, соответственно, соотношение энергий будет равно 106. Соотношение (2) показывает, что с уменьшением длины волны фотона его энергия растет, так как растет круговая частота собственного вращения. Таким образом, увеличиваются его гироскопические возможности. Этим и объясняются проникающие способности фотонов гамма диапазонов излучения.

Гироскопические эффекты позволяют фотону проникать внутрь тела протона и электрона (замкнутые тороидальные вихри уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) [6]) и, в зависимости от величины его энергии, могут обуславливать следующие процессы: поглощение фотона; поглощение и генерация вторичных фотонов (фотоэффект); разрыв связи между протоном и электроном в протон-электронной паре; разрушение структуры протона и электрона.

При прохождении гамма-излучения через вещество происходит выбывание гамма-фотонов из потока в результате взаимодействия с протон-электронными парами атомов вещества. Энергетические возможности протон-электронных пар определяются местом расположения внутри атома вещества. Наименьшие энергетические возможности имеют протон-электронные пары, образующие внешнюю оболочку атома.  Оболочка атома это поверхность, которая образуется за счет вращения протон-электронной пары. Каждая следующая протон-электронная пара образует ниже лежащую оболочку. При этом ее энергетические возможности возрастают. Это обусловлено тем, что в соответствии с законом сохранения момента количества вращения уменьшение радиуса протон-электронной пары ведет к уменьшению ее массы и увеличению скорости вращения. Увеличение скорости вращения вокруг собственной оси протон-электронной пары в соответствии с выражением (2) ведет к увеличению энергии протон-электронной пары, соответственно и ее элементов.

Гамма-фотоны это высокоэнергетичные частицы (2Eγ ≥ 1·105 [эВ]). Поэтому они будут взаимодействовать только с протон-электронными парами, соизмеримыми с ними по энергии, т. е. с атомами вещества, имеющими большое массовое число А. [8] Процесс взаимодействия заключается в поглощении гамма-фотона протон-электронной парой. Если энергия гамма-фотона меньше энергии протон-электронной пары, определяемой как красная граница фотоэффекта [9], то такой фотон (тороидальный вихрь уплотненного эфира), попадая в среду эфирного газа протон-электронной пары,  рассеивается, увеличивая массу протон-электронной пары, соответственно увеличивая радиус и уменьшая скорость ее вращения, т. е. вызывает возбуждение протон-электронная пары. Так как энергии возбуждения недостаточно для генерации вторичных фотонов, то  после кратковременного возбуждения, а затем выноса избыточной массы за пределы пары, ее состояние восстанавливается. Процесс сопровождается выделением тепловой энергии. Данный случай соответствует процессу однократного поглощения.

Если энергия гамма-фотона больше энергии, соответствующей красной границе фотоэффекта, то в этом случае протон-электронная пара генерирует два новых фотона, энергия которых меньше или равна энергии первичного фотона. Избыток энергии (массы) первичного фотона после генерации вторичных фотонов рассеивается, как в выше указанном случае. Новые фотоны взаимодействуют с другими атомами вещества, при этом  или полностью поглощаются, как в первом случае, или после взаимодействия генерируют новую пару фотонов. Процесс повторяется до полного поглощения фотонов. Данный случай соответствует многократному поглощению.

Если энергия гамма-фотона соизмерима или значительно больше масс-энергии протона, электрона и их энергии связи, то в этом случае  препятствием движению фотона является только тело протона или совокупность тел протонов (ядро) атома вещества. При взаимодействии с ядром атома могут произойти два типа процессов разрушения или ядра или протон-электронной пары в целом.

Жесткий – высокоэнергетичные гамма-фотоны или другие частицы при взаимодействии с протоном разрывают его на мелкие фрагменты, время существования которых исчисляется в 10-10 – 10-20 с. Этот процесс исследуется современной физикой в коллайдерах.

Мягкий – высокоэнергетичные фотоны при взаимодействии с протон-электронной парой разрывают их внутренние связи, образуя потоки протонов и электронов или разрушают протон и электрон без разрыва на отдельные фрагменты. При этом протон уменьшается в своих геометрических размерах до полного рассеивания. Промежуточным состоянием этого процесса является образование позитрона, время существования которого, согласно современным представлениям составляет 10-8 с.

Мягкий процесс характерен для более тяжелых химических элементов, у которых протоны чаще всего трансформируются в позитроны с последующей аннигиляцией с электронами и с генерацией новых фотонов. Последний случай указывает на то, что поглощение гамма-фотонов зависит не только от массового числа, но и от плотности вещества ρ.

Полный энергетический баланс выше указанных процессов взаимодействия гамма-фотонов с веществом будет выглядеть следующим образом:

Еγ ± Евн.ф  = Евт. + Еп. + Ео ,                                                                  (3)

где Еγ – энергия фотонов внешнего потока излучения, Евн.ф  – энергия внешних факторов, Евт.– энергия, идущая на генерацию вторичных фотонов, Еп. – тепловые и прочие потери, Ео – энергетические потери, обусловленные рассеянием фотонов в окружающее пространство.

Источниками гамма-излучения могут быть протон-электронные пары атомов вещества, позитрон-электронные пары в процессе аннигиляции, а также ядерные реакции, например, при трансформации протон-электронной пары в нейтрон. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться протон-электронными парами, при трансформации протон-электронной пары в позитрон-электронную пару, при трансформации нейтрона в протон-электронную пару. Спектры излучения и поглощения гамма-излучения дают важную информацию о структуре микрообъектов.

Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд. Астрономы используют свет от этих вспышек в работе наземных детекторов гамма-излучения. Так как гамма-лучи не подвержены воздействию магнитных полей, направление их прихода может непосредственно указывать на их источник.

Поглощение гамма-излучения. Поглощение электромагнитного излучения — процесс потери энергии потоком электромагнитного излучения вследствие взаимодействия с веществом. [10]  Поглощённое излучение может быть полностью или частично излучено средой вновь: на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения (процесс рассеяние электромагнитного излучения). Зависимость поглощения от частоты определяется спектром поглощения вещества, а отношение величины поглощённого потока к величине падающего потока — коэффициентом поглощения

Количественно поглощение в простейших случаях описывается показателем поглощения µ. Ослабление гамма-излучения в веществе подчиняется экспоненциальной зависимости и определяется количественно законом (1) (Бугера — Ламберта — Бера).

Поглощённая энергия может: перейти в тепло, быть излучённой, например,  в процессе фотолюминесценции, вызвать фотохимические реакции — и тому подобное.

Энергетический баланс данного процесса будет иметь следующий вид:

Еγ ± Евн.ф  = Еп. + Ео .                                                                              (4)

В данном процессе возможна генерация вторичных фотонов (процесс многократного поглощения), однако она самостоятельного значения не имеет и учитывается энергией, обусловленной потерями и излучением.  

Глубина проникновения в среду зависит от энергии гамма-фотонов. Самое

интенсивное из природных источников гамма-излучения ряда тория ослабляется примерно в 20-30 раз слоем воды толщиной 1 м.

            Когда гамма-излучение с интенсивностью I0 падает на поглотитель толщины х, интенсивность I излучения, прошедшего через поглотитель, описывается экспоненциальным выражением (1): I(x) = I0 exp(-µx).

Закон поглощения не является идеальным. В частности, он не учитывает влияние внешних факторов. Принимая во внимание, что интенсивность излучения пропорциональна энергии излучения I = f(E) [11] представим закон поглощения (1) гамма-излучения в следующем виде:

            Е(x) =Е exp(-µx),                                                                                  (5)

где Е(x) = Еп – энергетические потери, обусловленные процессом поглощения,

Е = Еγ ± Евн.ф  – Ео – энергия входного потока гамма-излучения с учетом воздействия внешних факторов и потерь на излучение.

            Тогда

            Еп  = (Еγ ± Евн.ф  – Ео) exp(-µx),                                                             (6)

            Измерения с использованием различных источников и поглотителей показали, что коэффициент ослабления µ зависит от энергии гамма-излучения, атомного номера Z и плотности ρ поглотителя. [12]  Например, свинец обладает высокой плотностью и большим атомным номером и пропускает гораздо меньшую долю падающего гамма-излучения, чем алюминий или сталь такой же толщины. Коэффициент ослабления µ называется линейным коэффициентом ослабления µL. Величина обратная коэффициенту ослабления 1/µ имеет единицу измерения длины и часто называется средней длиной свободного пробега.

            Линейный коэффициент ослабления представляет собой простейший коэффициент ослабления, который можно измерить экспериментально, но он обычно не приводится в справочных таблицах в виду зависимости от плотности поглощающего материала.

            Гамма-фотоны взаимодействуют, в основном, с протон-электронными парами, масса которой сосредоточена в протоне, следовательно, коэффициент ослабления должен быть пропорционален плотности протонов Р, которая пропорциональна объемной плотности поглощающего материала. Таким образом, для данного вещества:

            P = Zρ/A,                                                                                                  (7)

где  P – плотность протонов, Z – атомный номер, ρ – плотность вещества, A – массовое число.

            Отношение линейного коэффициента ослабления µL к плотности ρ называется массовым коэффициентом ослабления и имеет размерность площади на единицу массы:

            µ = µL/ρ [см2/г].                                                                                       (8)

            Массовый коэффициент ослабления можно записать через сечение реакции σ[см2]:

            µ = N0 σ /A,                                                                                               (9)

где N0 = 6,022 140 76⋅1023 моль−1  – число Авогадро.

            Сечение взаимодействия представляет собой вероятность взаимодействия гамма-фотонов с отдельным атомом. [12] 

            Массовый коэффициент ослабления не зависит от плотности вещества. Этот коэффициент чаще приводится в таблицах, поскольку он  количественно определяет вероятность взаимодействия гамма-фотонов с конкретным атомом.

            Для вычисления массового коэффициента ослабления в материалах со сложным химическим составом используют уравнение:

            µ = ∑ µiwi,                                                                                                 (10)

где µi – массовый коэффициент ослабления, wi – массовая доля i-го элемента.

Разрыв связи между протоном и электроном в протон-электронной паре. Данный процесс может иметь несколько вариантов, в частности, образование потоков протонов и электронов в отдельности; образование позитронов; образование пар.

            В работе [13]  было показано, что энергия связи атома водорода (одна протон-электронная пара) ориентировочно равна 58 КэВ. Таким образом, для разрыва связи протон-электронной пары верхней оболочки атома фактически достаточно энергии любого гамма-фотона, так как их энергия ≥ 50 КэВ. В атомах, состоящих из множества протон-электронных пар, каждая ниже стоящая протон-электронная пара  имеет энергию связи значительно больше выше стоящей и, соответственно, требует для разрыва связи более энергетичных гамма-фотонов. Если энергия гамма-фотона соизмерима с величиной энергии связи протон-электронной пары, то при разрыве связи образуются  свободные протоны и электроны. Например, в источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. [14] В таких условиях под воздействием фотонов средней энергии атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра – протоны.

С ростом энергии гамма-фотона растет их проникающая способность, обусловленная ростом гироскопических возможностей. Однако  в процессе экспериментов с гамма-фотонами выяснилось, что гамма-фотоны с энергией более

1,02 МэВ задерживаются свинцом не слабее, а сильнее менее энергетичных.

После проведения тончайших экспериментов выяснилось, что гамма-фотон энергией более 1,02 Мэв в непосредственной близости от ядра исчезает, превращаясь в пару  позитрон – электрон, и каждая из частиц уносит с собой половину затраченной на их образование энергии. Позитрон недолговечен и, столкнувшись с электроном, превращается в гамма-фотон, но уже меньшей энергии.  Наблюдается только у гамма-фотонов высокой энергии и только вблизи от массивного ядра, то есть в элементе с большим атомным номером. [15]

Сущность этого процесса заключается в следующем. В атомах вещества с большим массовым числом А, т. е. с большим числом протон-электронных пар, к процессу поглощения гамма-фотонов подключаются все ниже лежащие протон-электронные пары атома, с энергией связи 1 МэВ и более. Гамма-фотоны с энергией более 1,02 МэВ проникают внутрь ядра, а точнее поглощается протоном или нейтроном ядра низко лежащих протон-электронных пар.  Так как энергия гамма-фотона соизмерима с энергией связи протон-электронной пары, то наблюдается мягкий процесс взаимодействия.

Ядро – это система плотно упакованных протонов и нейтронов, каждый из которых вращается  ориентировочно  с частотой ωр = 0,6·1019 с-1 [16] и удерживаемых мощными магнитными силами взаимного притяжения между нейтронами и протонами (ωn > ωр, гдеωn – круговая частота вращения нейтрона, ωр – протона). Протоны и нейтроны вращаются синфазно, поэтому магнитные силы протона и нейтрона носят характер притяжения.

Так как нейтрон это тоже протон-электронная пара, у которой электрон находится вблизи пограничного слоя протона, то в результате мягкого взаимодействия таких гамма-фотонов как с протоном, так и с нейтроном образуются позитроны и электроны, масс-энергия каждого из которых равна не менее 0,511 МэВ. Позитрон и электрон, полученные таким образом, или образуют позитрон-электронную пару или быстро замедляются в поглотителе. При взаимодействии позитрона и электрона, образуется аннигиляционный процесс, в результате которого генерируются как минимум два фотона. Эти фотоны, более низкой энергии, менее 0,511 МэВ, далее могут взаимодействовать с атомами вещества поглотителя или покинуть его.

Процесс образования пар невозможен для гамма-фотонов с энергией ниже 1,022 МэВ (ввиду нарушения условий мягкого взаимодействия). Выше этого порога вероятность взаимодействия быстро возрастает с энергией. Вероятность образования пар изменяется приблизительно как квадрат атомного номера Z и становится существенной для элементов с высоким Z, таких как свинец или уран. В свинце приблизительно 20% взаимодействий гамма-фотонов с энергией 1.5 МэВ проходят через процесс образования пар, и эта доля возрастает до 50% при энергии 2.0 МэВ. Для углерода соответствующие доли взаимодействий составляют 2% и 4% соответственно.[12] 

Процесс образования пар практически не оказывает заметного влияния на полный линейный коэффициент ослабления гамма-излучения при энергиях гамма-фотонов, излучаемых естественными и искусственными радионуклидами [17].

Выводы. В основе эфиродинамической концепции взаимодействия гамма-излучения с веществом лежат процессы: поглощение фотона; поглощение и генерация вторичных фотонов (фотоэффект); разрыв связи между протоном и электроном в протон-электронной паре; разрушение структуры протона и электрона.

Процесс поглощения это процесс потери энергии гамма-фотона в результате однократного или многократного взаимодействия с протон-электронными парами атомов вещества. Ослабление гамма-излучения в веществе подчиняется экспоненциальной зависимости и определяется количественно законом (1) (Бугера — Ламберта — Бера).

Количественно поглощение в простейших случаях описывается показателем поглощения µ. Измерения с использованием различных источников и поглотителей показали, что коэффициент ослабления µ зависит от энергии гамма-излучения, атомного номера Z и плотности ρ поглотителя, что согласуется с выводами эфиродинамической концепции.

            Процесс образования пар практически не оказывает заметного влияния на полный линейный коэффициент ослабления гамма-излучения.

                Литература.

  1. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 400 с.
  2. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0674.html   Гамма-излучение.
  3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e036.htm  Гамма-излучение.
  4. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. К 125-и летию открытия фотона.
  5. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Физическая сущность постоянной Планка.
  6. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Про материю и антиматерию.
  7. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. К вопросу о рассеянии фотонов.
  8. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e095.htm Массовое число.
  9. http://novmysl.ru/Quantum/Stoletov.html  Опыты Столетова по изучению фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Теория фотоэффекта Эйнштейна.
  10. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Поглощение электромагнитного излучения.
  11. http://heritage.sai.msu.ru/ucheb/Bychkov/Intensity.htm  Бычков К.В. Основные понятия теории излучения.
  12. Райлли Д. и др. (ред.) PANDA – Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов. Справочник. Перевод с английского, ВНИИА, 2007, 720 с.
  13. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Электрический заряд протона, электрона и фотона.
  14. https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/USKORITEL_CHASTITS.html  Ускоритель частиц.
  15. http://n-t.ru/ri/ps/ Популярная библиотека химических элементов. Свинец.
  16. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Эфиродинамическая природа атомного магнетизма.
  17. Числов Н. Н. Введение в радиационный контроль. [Электронный ресурс] : учебное пособие / Числов Н. Н. – Томск : Томский политехнический университет, 2014. – 199 с.

Лямин В.С. , Лямин Д. В.  г. Львов


1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи